专利名称：基于实测结果及线性规划法的地应力场ddm反演方法
技术领域：
本发明涉及的是隧道和地下空间工程领域中的地应力场反演方法，具体是一种采用位移不连续法(DDM)作为计算工具的基于实测结果及线性规划法的地应力场反演方法。
背景技术：
地应力是天然地质体(岩土体)中的未受工程扰动的应力，也称岩体初始应力或原岩应力。地应力的组成主要有五个方面:岩体自重、地质构造运动、地形、剥蚀作用和封闭应力。在隧道、水电站地下硐室和地下空间工程中，工程区域的地应力是设计与施工必须掌握的工程条件。地下工程的岩体开挖是在地应力作用下进行的，开挖卸载将引起岩体变形与应力重分布，严重时会发生失稳、垮塌和破坏。因此，工程区域地应力的获取关系到地下工程安全与稳定。地应力的实测方法主要有水压致裂法、应力解除法、应力恢复法和声发射法等，但这些实测方法获得的地应力是具体某一个点的地应力，而整个工程区域的地应力场需要依靠若干个点的实测地应力值，通过一定的数值方法进行反演获得。既有的地应力场反演方法有数理统计、灰色建模、人工智能等方法，所依靠的数值计算工具一般为有限元和有限差分法。这些方法的不足主要有两点:一是反演方法复杂，计算过程繁琐，在数学上进行了优化反演，但力学概念上并不清晰；二是所采用的计算工具，如有限元和有线差分法，需要建立完整的三维实体模型，而工程区域的地形和地质条件可能十分复杂，建�？赡苁掷眩胰堤迥Ｐ托枰执罅康牡ピ约扑慊脑怂闼俣扔肽芰σ蠼细�。如中国专利公开号为1601304A、申请号为200410043992.2的发明专利申请，该专利公开偶极横波测井地应力多频反演方法，其特征在于:将交叉偶极阵列声波测井数据进行角度旋转后得到两主时间序列，在此基础上提取两主方向的弯曲波频散曲线，利用两个主偏振方向弯曲波频散曲线上的n个频率点的数据根据公式(5)和公式(6)建立n个等式，其中公式(5)和公式(6)均由井孔模式波声弹性方程反演而来，其中n大于或等于6，通过求解这n个等式就可以得到地层的最大主应力SH和最小主应力Sh。但该专利方法也存在着明显的不足:首先，该方法通过声发射法测量岩石传播波速反演地应力，仅能获得测点处的地应力值，无法得到整个工程区域的地应力分布情况；其次，该技术得到的地应力值仅有两个水平最大和最小地应力值，而真实的地应力是三维条件下的，竖向地应力也是工程必需的。而本发明在这两点上具有明显的优势，反演得到的地应力场涵盖整个工程区域，对于区域中任意点的值均可获得，而且得到的地应力场为三维空间分布，涵盖水平和竖向地应力，为工程提供了完整的地应力资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用DDM作为计算工具的基于实测结果与线性规划法的地应力场反演方法，克服上述技术背景所缺乏的如何方便建模、有效计算的地应力场反演问题。本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤:第一步，依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息，包括地形地貌、各断层的位置、地应力测点的位置、各测点的地应力实测值、岩石密度P、岩石弹性模量E、岩石泊松比V、各断层的粘聚力c和内摩擦角地应力实测采用孔径变形法，通过三孔交汇获得三向应力状态。在岩体中钻取3个不同方向(相邻孔夹角不小于30° )的交汇孔，对3个孔分别进行孔径变形测量，最后获得岩体三维应力状态。其余参数可直接采用地质勘查报告中的数据，但岩石弹性模量E须进行现场实验测定:在清除爆破松动影响的岩体表面后加工试点，对粘贴承压板(直径为50.5mm的圆形钢板)处的岩石表面进行人工凿平。岩面起伏差控制在5mm内。承压板以外影响带的岩体表面加工至大致平整，并清除松动的岩块和碎石。一般液压千斤顶加载。加载方式为逐级一次循环法，载荷分5级施加，按预期岩体强度进行均分。根据现场试验实测变形资料，绘制压力 变形关系曲线，并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式求得岩体变形(弹性)模量。
权利要求
1.一种基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步，依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息，包括地形地貌、各断层的位置、地应力测点的位置、各测点的地应力实测值、岩石密度P、岩石弹性模量E、岩石泊松比V、各断层的粘聚力c和内摩擦角興 第二步，依据第一步的信息，建立位移不连续法DDM数值模型，所述位移不连续法DDM数值模型:在工程区域的地表曲面划分若干单元，在各断层面划分若干单元，并输入岩石密度、岩石弹性模量、岩石泊松比、各断层的粘聚力和内摩擦角； 第三步，在竖向施加重力荷载，采用DDM数据处理�？榻蠨DM处理，得到区域应力�。⑻崛〉赜ακ挡獾愕挠ακ荽碇担� 第四步，施加水平X方向单位荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，得到区域应力�。⑻崛〉赜ακ挡獾愕挠ακ荽碇担� 第五步，施加水平z方向单位荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，得到区域应力�。⑻崛〉赜ακ挡獾愕挠ακ荽碇担� 第六步，依据第三步至第五步得到的各测点的应力数据处理值，通过线性规划法求解各工况对应的回归系数，然后依据回归系数对各工况处理得到的应力场进行组合，求和得到反演地应力场。
2.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第一步，地应力实测采用孔径变形法，通过三孔交汇获得三向应力状态，在岩体中钻取3个不同方向的交汇孔，相邻孔夹角不小于30°，对3个孔分别进行孔径变形测量，最后获得岩体三维应力状态。
3.根据权利要求1或2所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第一步，除各测点的地应力实测值之外的其余参数直接采用地质勘查报告中的数据，但岩石弹性模量E须进行现场实验测定:在清除爆破松动影响的岩体表面后加工试点，对粘贴承压板处的岩石表面进行人工凿平，岩面起伏差控制在5mm内，承压板以外影响带的岩体表面加工至大致平整，并清除松动的岩块和碎石，液压千斤顶加载，加载方式为逐级一次循环法，载荷分5级施加，按预期岩体强度进行均分；根据现场试验实测变形资料，绘制压力 变形关系曲线，并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式求得岩体变形模量。
4.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第二步，具体的操作为:首先采用几何建模�？榛龅乇砺掷撸⒀匮映は咄献С汕妫喜忝嬉话阄矫妫苯踊黾负伪呓缂纯桑蝗缓蟛捎猛窕帜？椋匦胧紫榷缘乇砻娼型窕郑谇嬷胁嫉悴⒏惚嗪牛肯嗔谌阕槌梢桓鋈切蔚ピ扛龅ピ嗪牛扛龅ピ龅愕呐判虮匦胛媸闭耄乇淼ピ窕滞瓿珊螅来味愿鞫喜憬型窕郑承虿豢筛谋洌蝗缓笤诓问淙肽？槭淙敫鞑问匦胂仁淙氲乇聿问乇泶φ尘哿湍谀Σ两俏�0，各断层粘聚力和内摩擦角须依次输入，顺序不可改变，最后输入岩石密度、弹性模量和泊松比；此时启动模型信息生成�？椋涑鲇糜谑荽淼募扑阄募眉扑阄募且桓鑫谋疚募糜诤笮氖荽恚蟮姆囱荽砉讨苯佣寥「梦募诘男畔ⅲ梦募惺菖帕杏胨承虮匦氡３植槐洌扑阄募幸来伟搜沂牧ρР问�、断层的数目及其力学参数、每个网格节点的坐标、每个网格单元的点号以及待处理区域的范围。
5.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第三步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理�？橹惺淙牒稍兀亓稍氐氖┘有胫该鞣较颍诘乇泶θ∥狾，沿模型竖向逐渐增大；启动DDM数据处理�？椋硗瓿珊蟮玫浇峁募焕媒峁榭垂δ埽淙胧挡獾阕辏玫礁玫愦Φ牡赜ακ荽碇�。
6.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第四步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理模块中输入X方向单位荷载，此处的荷载为应力荷载，不需指出方向，在地表处可按坐标转换进行应力分量数据处理并自动施加；启动DDM数据处理�？椋硗瓿珊蟮玫浇峁募焕媒峁榭垂δ埽淙胧挡獾阕辏玫礁玫愦Φ牡赜ακ荽碇�。
7.根据权利要求4所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第五步，具体的操作为:利用第二步生成的计算文件，在DDM数据处理�？橹惺淙難方向单位荷载，此处的荷载为应力荷载，不需指出方向，在地表处可按坐标转换进行应力分量数据处理并自动施加；启动DDM处理�？椋硗瓿珊蟮玫浇峁募焕媒峁榭垂δ埽淙胧挡獾阕辏玫礁玫愦Φ牡赜ακ荽碇�。
8.根据权利要求5-7任一项所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的DDM数据处理�？椋捎靡恢秩嘶换サ氖荽砉逃敕椒ǎ筇峁┮桓隹晒┒寥〉氖淙胛谋疚募募械男畔⒈匦氚凑昭细竦母袷接胨承蚺帕校来挝沂牧ρР问�、断层的数目及其力学参数、每个网格节点的坐标、每个网格单元的点号以及待处理区域的范围，将该文本文件提供给DDM数据处理�？椋⒃诟媚？橹惺淙牒稍兀匆崖隳？樵诵刑跫荒？榈氖荽硎且谰菸灰撇涣ǎ远喜愕ピ奈灰撇涣课蠼獾幕疚粗浚谰菔淙氲亩喜阈畔⑹荩浯砦卣笫敌畔ⅲüατ跋煜凳蟮帽呓缬αχ担帽呓缬αχ捣细ǖ暮稍乇呓缬αμ跫允淙氲暮稍刂到凶曜淮恚纱私心诤朔治龃恚玫交疚粗浚潭瓿墒淙胧莸拇恚玫揭桓鼋峁募桓媒峁募荄DM数据处理�？橥瓿珊笊傻囊桓鑫谋疚募闪讲糠帜谌葑槌�:待处理 的工程区域的各个点的地应力数据处理值，分为6个应力分量表达；待处理区域的各个点的位移值，包含大小和方向。
9.根据权利要求1所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:第六步，具体的操作为:将第三步至第五步得到的三组实测点的地应力数据处理值依次输入到回归数据处理�？椋缓笫淙胧挡獾赜αχ岛筒獾闶浚髯槭淙胧莸母袷叫胪骋晃�:测点编号、X方向正应力、y方向正应力、z方向正应力、xy剪应力、yz剪应力和ZX剪应力，中间用空格间隔； 待求解回归系数的方程:
10.根据权利要求9所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的回归数据处理�？椋谰菔淙氲娜舾勺槭挡獾赜αχ担谢毓榇恚玫礁鞴た龆杂Φ幕毓橄凳媚？樾枰淙胧挡獾赜αχ岛筒獾闶恳约案鞴た龅木璂DM数据处理模块处理得到的对应于实测点的应力结果，各组输入数据的格式须统一为:测点编号、X方向正应力、y方向正应力、z方向正应力、xy剪应力、yz剪应力和zx剪应力，中间用空格间隔；回归处理过程依据DDM数据处理�？榈玫降母鞴た鲈谑挡獾愕挠α峁胧挡饨峁南喙毓叵担璨煌暮稍毓た龈髯圆煌娜ㄖ兀垢髦止た鲎楹闲纬傻挠αχ涤胧挡庥αχ底罱咏痪淼玫降慕峁次鞴た龆杂Φ幕毓橄凳捎糜诤笮姆囱荽�。
11.根据权利要求9或10所述的基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，其特征在于:所述的反演求和�？椋谰菔淙氲母鞴た鲈谡銮虻木璂DM数据处理�？榈玫降牡赜α峁刖毓槭荽砟？榈玫降母鞴た龆杂Φ幕毓橄凳蟹囱萸蠛痛恚鞴た龇直鸬玫降牡赜αΤ“凑栈毓榻峁械樱楹系玫阶钪盏姆囱莸赜αΤ�。
全文摘要
本发明提供一种基于实测结果及线性规划法的地应力场DDM反演方法，该方法依据工程现场工程地质勘查报告，并通过实验获得所需参数信息；依据得到的信息建立位移不连续法DDM数值模型；分别在竖向施加重力荷载、施加水平x方向单位荷载、施加水平z方向单位荷载，经过DDM处理，得到区域应力�。⑻崛〉赜ακ挡獾愕挠ακ荽碇担灰谰莸玫降母鞑獾愕挠ακ荽碇担ü咝怨婊ù砀鞴た龆杂Φ幕毓橄凳缓笠谰莼毓橄凳愿鞴た龃淼玫降挠αΤ〗凶楹希蠛偷玫椒囱莸赜αΤ�。
文档编号G01V9/00GK103091727SQ201310011689
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者王颖轶, 李科, 黄醒春 申请人:上海交通大学
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